一种煤粉锅炉热效率的在线监测方法

本发明涉及电站煤粉锅炉的监测与诊断领域，公开了一种煤粉锅炉热效率的在线监测方法。

背景技术：

1、锅炉运行过程中，未燃尽的固体燃料随灰渣从炉膛排出落到冷灰斗中，或以飞灰形式随烟气一起排出，是造成机械未完全燃烧热损失的主要原因。机械未完全燃烧热损失是燃煤锅炉主要热损失之一，其大小仅次于锅炉排烟热损失。因此，对电站煤粉锅炉灰渣中残留可燃物的实时准确监测对于火电机组的经济运行意义重大。

2、但在锅炉运行中，主要通过热平衡试验来测定机械未完全燃烧损失，需收集每小时飞灰和炉渣的质量，并测出锅炉飞灰和低渣所含可燃物的百分数。由这种方法得到的灰渣含碳量往往实时性差，不能及时反映锅炉的燃烧水平，不便于锅炉运行人员进行及时的燃烧调整。由于锅炉的机械未完全燃烧热损失不能实现在线监测计算，并导致锅炉灰渣物理损失不能准确的进行在线计算。此外，锅炉排烟热损失作为锅炉最为重要的一项损失，由于锅炉过量空气系数没有考虑碳燃尽程度的影响，导致没有办法得出锅炉的准确的过量空气系数。其次，由于锅炉每千克燃料的形成的烟气量需要煤种元素成分的水分，加之这些成分还没有办法全部准确的在线计算，导致锅炉排烟热损失尚没有更好的计算方法实现其在线计算。这些均导致锅炉热效率无法实现精准的在线计算。

3、目前装设在锅炉尾部的飞灰含碳量在线监测装置，主要通过燃烧失重法来实现在线测量飞灰中的含碳量。但这种采样装置通常维护成本高、准确度较低，同时，存在中间燃烧和信号传输环节、测量结果也比较滞后。据多数电厂反映，这种飞灰含碳量在线监测装置在锅炉运行中多出现故障而失去在线监测功能。以上所述装置也仅能在线监测飞灰中的含碳量，而对锅炉炉渣含碳量的在线监测一直以来找不到更为有效的方法。

4、鉴于锅炉炉内未燃尽碳受锅炉负荷、煤种、煤粉细度及燃烧方式等多种因素的综合影响，且由于相互之间的影响关系相当的复杂，很难直接找到未燃尽碳同这些因素之间的函数依变关系。因此，本发明结合过量空气系数新计算方法的提出，建立了锅炉碳燃尽程度和过量空气系数的函数关系，并在此基础上，提出了一种煤粉锅炉热效率的在线监测方法。本发明的有益之处在于可以优化锅炉燃烧调整，降低火电机组发电煤耗，对于提高锅炉燃烧效率及热经济性控制水平具有重要的工程实际意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是，针对目前飞灰和炉渣难以实时采集测量，测量结果滞后等问题，提出碳燃尽系数的概念，即表征每千克燃料中燃尽的碳占总碳量的百分比。建立碳燃尽系数与过量空气系数之间的联系，从而提出一种能够自动在线计算、准确监测电厂锅炉碳燃尽系数和锅炉热效率的在线监测及诊断方法。

2、本发明采用的技术方案是：一种煤粉锅炉热效率的在线监测方法，其特征在于，它包括以下步骤:

3、(a)数据采集环节：在线监测电厂锅炉运行过程中锅炉尾部干烟气中的氧气含量，采集电厂燃煤收到基低位发热量、收到基碳含量，锅炉负荷、排烟温度、全厂的燃煤消耗量及锅炉的总风量等运行参数。

4、(b)碳燃尽系数的计算环节

5、过量空气系数计算公式为：

6、

7、式中：α为锅炉的过量空气系数；μ为锅炉的风煤比，即锅炉总风量和总煤量的比值，kg(空气)/kg(煤)；ρo为标准状态下空气的密度，nm3/kg；可近似取值1.306，vo为理论空气量，nm3(空气)/kg(煤)；vk为实际空气量，nm3/kg。

8、其中风煤比μ的计算方程为：

9、

10、式中：v总为锅炉总风量，kg/h；b总为锅炉的总煤量，kg/h，μ为锅炉的风煤比，

11、在锅炉运行中，对于特定的煤种，通常煤的发热量和理论空气量具有一定的比例关系，理论空气量为：

12、

13、式中：γ为比例系数，可取经验值2.63；qar.net为燃料的收到基低位发热量，kj/kg；vo为理论空气量，m3(空气)/kg(煤)。

14、由方程(1)和(3)可得到过量空气系数的计算方程为：

15、

16、式中：α为锅炉的过量空气系数；ρo为标准状态下空气的密度，可近似取值1.306，kg/m3；μ为锅炉的风煤比，kg(空气)/kg(煤)；γ为比例系数，可取经验值2.63；qar.net为燃料的收到基低位发热量，kj/kg。

17、定义碳燃尽系数为每千克燃料中燃尽的碳占总碳量的百分比，即可以表示为：

18、

19、式中：为碳燃尽系数；car为收到基碳含量，％，x为每千克燃料中未燃尽的碳含量，kg/kg。

20、经通过燃烧方程推导得出，过量空气系数与碳燃尽系数的关系为：

21、

22、式中：α为锅炉的过量空气系数；为碳燃尽系数；o2为干烟气中氧的容积含量，％。

23、因此，由方程(5)和方程(6)可推导得出碳燃尽系数的计算方程为：

24、

25、式中：α为锅炉的过量空气系数；为碳燃尽系数；o2为干烟气中氧气的容积含量，％。

26、通过采集得到的烟气中的含氧量o2和由方程(4)计算得到的过量空气系数，然后即可由方程(7)计算得到煤粉锅炉碳的燃尽系数。

27、(c)锅炉各项热损失及热效率计算环节

28、绝大部分机械不完全燃烧损失是由飞灰和炉渣中的未燃尽的碳颗粒造成的，通过建立碳燃尽系数φ和残余碳质量x的计算式，可避免对飞灰和炉渣的收集，测定和分析，机械不完全燃烧热损失q4通常可以表示为：

29、

30、式中：x为每千克燃料中未燃尽的碳质量，kg/kg；33727为纯碳的发热量，kj/kg；qar.net为煤的低位发热量，kj/kg，

31、将方程(4)、(5)和方程(7)代入方程(8)中，可得机械不完全燃烧热损失q4为：

32、

33、式中：μ为锅炉的风煤比，kg(空气)/kg(煤)；γ为比例系数，可取经验值2.63；qar.net为燃料的收到基低位发热量，kj/kg；o2为干烟气中氧的容积含量，％；car为收到基碳含量，％，ρo为标准状态下空气的密度，可近似取值1.306，kg/m3。

34、锅炉排烟热损失q2可表示为：

35、

36、式中：vy为每千克燃料形成烟气的容积，m3/kg；cp,y为烟气从to至tpy平均的定压比热，kj/(m3·℃)，该值近似可取1.45，tpy为锅炉排烟温度，℃，可直接从dcs取值，t0为环境温度，℃，

37、烟气的容积vy可近似表示为：

38、vy＝αvo   (11)

39、式中：α为锅炉的过量空气系数；vo为理论空气量，nm3(空气)/kg(煤)。

40、将方程(4)和方程(11)代入方程(10)可得到锅炉的排烟热损失可表示为：

41、

42、式中：μ为锅炉的风煤比，kg(空气)/kg(煤)；cp,y为烟气从to至tpy平均的定压比热，kj/(m3·℃)，该值近似可取1.45，tpy为锅炉排烟温度，℃，可直接从dcs取值，t0为环境温度，℃，qar.net为煤的低位发热量，kj/kg，对于大容量锅炉，气体不完全燃烧热损失q2可以忽略不计，这对整体锅炉热效率的计算造成的误差很小。

43、散热损失q5是由于锅炉本体构架的外表面温度高于外界环境温度所造成的的散热损失，即锅炉炉墙、金属结构及锅炉范围内管道(烟风管道、汽水管道及联箱等)向四周环境中散失的热量占总输入热量的百分率。散热损失可表示为：

44、

45、式中：de为锅炉的额定蒸发量，t/h；d为锅炉的实际蒸发量，t/h。

46、由方程(8)可得每千克燃料中未燃尽的碳含量x为：

47、

48、由方程(14)可知，在由方程(9)计算得到q4后，结合煤质低位发热量便可计算得到每千克燃料中的未燃尽的碳质量x。

49、计算得到q4后，可依据方程(8)和方程(9)进一步得到每千克燃料中未燃碳的质量x。依据灰渣物理热损失的定义，可推导得出电站锅炉灰渣物理热损失可表示为：

50、

51、式中：aar为收到基灰分，％；afh为飞灰份额，可取值0.9；alz为炉渣份额，可取值0.1；cfh为飞灰t至θpy的平均定压比热容，kj/(kg·k)；clz为炉渣从t至θlz的平均定压比热容，kj/(kg·k)；θlz为炉渣温度，℃，近似可取800℃。

52、锅炉热效率可表示为：

53、ηb＝100-q2-q4-q5-q6                      (16)

54、本发明的一种煤粉锅炉碳燃尽系数的在线监测方法的提出，基于以下构思：

55、在过量空气系数是影响固体未完全燃烧热损失的主要因素的认识情况下，定义新燃料的碳燃尽系数并通过风煤比的定义给出新的计算过量空气系数的方法，然后再由过量空气系数与碳燃尽系数之间的关系式即可实时准确的计算得到煤粉锅炉的碳燃尽系数和机械不完全燃烧热损失。将烟气量的计算近似为过量空气系数和理论空气量的乘积，这样就可以采用风煤比的监测参数结合排烟温度和煤质参数计算锅炉的排烟热损失，这样的处理思路是可以避免计算烟气容积需要煤质元素成分的含量，可以进一步简化计算和使得锅炉热效率的在线的计算变得可能。本发明的精巧构思就是通过定义碳燃尽系数，从新确定锅炉过量空气系数的计算方法，拟通过运行参数的监测来实现对机械不完全燃烧热损失、排烟热损失和灰渣物理热损失的计算，一方面实现了碳燃尽程度的在线监测，另一方面，避免了飞灰含碳量和炉渣含碳量的取样分析，尤其是进一步实现了机械未完全燃烧热损失的在线监测。

56、按照本发明的以上构思，根据过量空气系数的定义和风煤比计算过量空气系数的方法结合煤粉锅炉碳燃尽系数的定义，进一步提出了实现本发明技术方案所遵循的原理，即：

57、1.首先在线监测电厂锅炉运行中干烟气中的氧气含量，以及收到基低位发热量和锅炉总风量及锅炉消耗的总煤量以及煤质收到基碳含量；

58、2.依据锅炉总风量和总煤量计算得到的风煤比并结合燃料收到基低位发热量计算过量空气系数；

59、3.依据过量空气系数与碳燃尽系数之间的关系，依据采集得到的烟气中氧气的含量和计算出的过量空气系数进一步计算得到燃料的碳燃尽系数；

60、4.依据燃料的碳燃尽系数和风煤比可进一步计算锅炉机械不完全燃烧热损失，通过对烟气容积的进一步简化计算，可得到锅炉排烟热损失的计算方程；

61、5.在忽略气体不完全燃烧热损失的基础上，通过锅炉热负荷参数计算散热损失，通过碳燃尽系数得到的每千克燃料中未燃碳含量，可进一步计算灰渣物理热损失。

62、本发明的一种煤粉锅炉热效率的在线监测方法，攻克了飞灰含碳量及炉渣含碳量难以准确采集测定，传统试验方法结果滞后的缺陷，并解决了锅炉过量空气系数不能精准计算的问题。为锅炉运行过程中在线监测燃料燃尽率和锅炉热效率提供了精准有效的方法，且所需数据少，计算方法简单精确，能够为实现锅炉的安全和经济运行提供更加准确监测数据和技术手段的目的。